廢氣再循環溫度對發動機性能的影響

韓立偉，陸國祥，寧健強，何邵陵，鐘敏琦

廢氣再循環溫度對發動機性能的影響

韓立偉，陸國祥，寧健強，何邵陵，鐘敏琦

（比亞迪汽車工業有限公司，廣東 深圳 130022）

面對“碳達峰”和“碳中和”目標，廢氣再循環技術將是廣泛應用于發動機技術之一。研究廢氣再循環溫度對發動機性能的影響具有重要意義。文章針對某1.5 L發動機在臺架上進行相關研究。結果表明，EGR溫度對發動機進氣溫度有一定的影響；隨著EGR溫度的升高，燃油消耗率升高，升高幅度不大，當EGR溫度從60 ℃升高到100 ℃，燃油消耗率增加0.5%。隨著EGR溫度的升高，點火角推后，燃燒中心推后，最高爆發壓力降低。隨著EGR溫度的升高，爆震強度增加，缸蓋排氣門鼻梁區溫度增加，反映缸內燃燒溫度增加。

廢氣再循環溫度；進氣溫度；燃油消耗率；爆震強度；缸蓋鼻梁區溫度

前言

我國在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上提出“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”[1]。對于這一目標，在發動機方面最有效的方法是不斷提高熱效率以降低油耗和排放。目前，國內各大汽車公司正在通過各種技術提高發動機的熱效率，其中EGR（exhaust gas recirculation）技術，即廢氣再循環技術將是廣泛應用技術之一。

廢氣再循環技術即從排氣管引出部分廢氣，經過EGR冷卻器（EGR Cooler）冷卻降低溫度后再經過EGR控制閥進入進氣管，與空氣混合后進入燃燒室參與燃燒。相同工況點下引入廢氣可以使節氣門開度相對增加，增加了進氣管壓力，降低了泵氣損失從而降低油耗[2-4]。引入廢氣可以使燃燒溫度降低，從而降低了NOx排放，同時抑制了爆震，使點火提前角和燃燒中心相對提前，從而降低了油耗[5?8]。

在排氣管中取出的廢氣溫度較高，需要經過EGR冷卻器冷卻后再進入進氣管與空氣混合，不同的EGR冷卻溫度對發動機進氣溫度有不同影響，從而影響了充氣效率、燃燒過程和油耗。目前國內外研究主要集中在EGR率和EGR氣體模型對發動機性能的影響，EGR溫度對發動機性能影響的研究不多。同濟大學的王震遠、Ting Liu和李理光等[9-10]在一臺1.3 L渦輪增壓汽油機上研究了廢氣再循環溫度對其燃燒及性能的影響，隨著EGR溫度升高，燃油消耗率有升高趨勢，但是其升高幅度不超過0.3%；EGR溫度升高后，最佳點火提前角提前，中、小負荷燃燒持續期增長，大負荷燃燒持續期基本不變。本文基于一臺1.5 L自吸發動機研究不同EGR溫度對發動機燃燒過程和性能的影響。

1 試驗設備

試驗采用我司某1.5 L發動機，具體參數如表1。試驗臺架示意圖如圖1。EGR采用催化器后取氣方式，通過EGR冷卻器降溫后流經EGR閥進入發動機進氣管。試驗系統采用了兩套獨立的臺架散熱系統，散熱系統1用于控制發動機冷卻液溫度，散熱系統2通過EGR冷卻器控制EGR溫度。TWO為發動機出水口溫度測點，T_EGR為EGR冷卻器后EGR閥前EGR測點溫度，T_IM為進氣管內氣體測點溫度，SP1、SP2和SP3分別為發動機第二、三、四缸缸蓋鼻梁區接近燃燒室表面的金屬測點溫度。試驗采用了AVL測功機、AVL油耗儀、AVL燃燒分析儀等設備。

圖1 發動機臺架示意圖

表1 發動機參數

名稱參數 氣缸布置直列4缸 排量/L1.5 缸徑/mm72 沖程/mm92 進氣方式自然吸氣 噴射方式氣道噴射 壓縮比15.5 燃油92

2 試驗方法

實驗室環境溫度為32 ℃，發動機試驗工況點轉速選擇在3 000 r/min，負荷為0.7 MPa，控制臺架散熱系統1使發動機冷卻液溫度保持恒定為95 ℃，控制EGR閥使EGR率控制在25%。

基于上述條件操作三個不同EGR溫度試驗方案。

方案一為控制散熱系統1使EGR溫度T_EGR達到60 ℃，此時控制點火提前角使AI50保持在7 °CA ATDC，微調節氣門使工況點保持在轉速為3 000 r/min，負荷為0.7 MPa，待工況點穩定后采集數據。

方案二為在方案一的基礎上，保持點火提前角不變，控制散熱系統1使EGR溫度T_EGR達到80 ℃，微調節氣門使工況點保持在轉速為3 000 r/min，負荷為0.7 MPa，待工況點穩定后采集數據。

方案三為控制T_EGR達到100 ℃，其他操作同方案二。

3 數據分析

3.1 EGR溫度對進氣溫度的影響

圖2 EGR溫度對進氣溫度的影響

圖2為不同EGR溫度對進氣溫度的影響。實驗室環境溫度為32 ℃，空氣濾清器入口處空氣溫度約為33 ℃，EGR率為25%，當EGR溫度60 ℃時，與空氣混合后溫度變為40.5 ℃；當EGR溫度80 ℃，與空氣混合后溫度變為43.7 ℃；當EGR溫度100 ℃，與空氣混合后溫度變為46.8 ℃。EGR對增高進氣溫度有一定的影響。因為實驗室環境溫度為32 ℃，從空氣濾清器到節氣門這一段膠管對進氣溫度影響不大，EGR氣體從其冷卻器后到節氣門處為鐵管，對EGR有一點冷卻作用但不明顯，EGR與空氣混合后的溫度基本可以按公式（1）計算，其與EGR溫度和EGR率呈線性關系。

混合氣=空氣×（1?EGR）+EGR×EGR（1）

式中：混合氣為空氣與EGR混合后溫度；空氣為空氣溫度；EGR為EGR溫度；EGR為EGR率。

3.2 EGR溫度對燃油消耗率的影響

圖3為不同EGR溫度對燃油消耗率的影響。隨著EGR溫度的升高，燃油消耗率逐漸升高。EGR溫度為60 ℃時，燃油消耗率為217.6 g/kWh，EGR溫度為100 ℃時，燃油消耗率為218.7 g/kWh，相對增加了0.5%。

圖3 EGR溫度對比油耗的影響

3.3 EGR溫度對燃燒的影響

圖4 EGR溫度對點火提前角推角的影響

圖4為不同EGR溫度對點火提前角推角的影響。圖中顯示點火提前角基礎角和點火提前角推角，點火提前角基礎角為根據轉速和負荷查表所得的點火提前角，點火提前角推角為發動機根據爆震強度對點火角基礎角進行推后修正的角度，爆震強度較大時對應的點火提前角推角較大。從圖中可以發現，隨著EGR溫度增加，點火提前角基礎角的控制保持一致，點火提前角推角逐漸增加，EGR溫度100 ℃時較60 ℃增加了1.5 °CA，即發動機實際的點火提前角推后了1.5 °CA，這是因為隨著EGR溫度增加，缸內燃燒溫度增加，爆震強度增加，火提前角推角隨之增加，從而對火提前角基礎角進行修正，保證穩定地燃燒。因此，隨著EGR溫度的增加，發動機爆震強度逐漸增加。

圖5為不同EGR溫度的缸壓曲線。從圖中可以發現，隨著EGR溫度的升高，燃燒始點逐漸推遲，這是因為前文所述隨著EGR溫度的升高，爆震強度增加導致點火角推后，從而燃燒始點推后。圖中隨著EGR溫度的升高，燃燒最高爆發壓力逐漸降低，原因同上。

圖5 不同EGR溫度的缸壓曲線

圖6為不同EGR溫度對AI50（燃燒中心）的影響。隨著EGR溫度增加，燃燒中心逐漸推后，EGR溫度100 ℃時為8.5 °CA ATDC，EGR溫度60 ℃時為7.3 °CA ATDC，前者較后者推后了1.2 °CA。原因如前所述，隨著EGR溫度增加，缸內燃燒溫度增加，爆震強度增加，發動機點火提前角推后，所以燃燒中心隨之推后。

圖6 EGR溫度對AI50的影響

3.4 EGR溫度對缸蓋溫度的影響

圖7 缸蓋排氣門鼻梁區溫度測點

因為不能直接測得缸內燃燒溫度，所以本研究在缸蓋溫度最高區域埋置熱電偶，測量該區域溫度以便研究缸內燃燒溫度變化情況。溫度測點選擇在缸蓋上兩個排氣門間鼻梁區，距離缸蓋燃燒室表面2 mm位置，如圖7所示。在發動機第二缸、第三缸和第四缸相應位置分別埋置一個熱電偶溫度傳感器。

圖8為不同EGR溫度對缸蓋排氣門鼻梁區溫度的影響。EGR溫度為60 ℃時，第二缸、第三缸和第四缸缸蓋排氣門鼻梁區溫度分別137 ℃、137 ℃和138 ℃，EGR溫度為100 ℃時，第二缸、第三缸和第四缸缸蓋排氣門鼻梁區溫度分別140 ℃、140 ℃和142 ℃。隨著EGR溫度的升高，缸蓋排氣門鼻梁區溫度隨之升高，升高幅度約為3 ℃～4 ℃。這驗證了EGR溫度升高，導致缸內燃燒溫度升高，因為熱電偶測點距離缸內表面有一定距離，實際缸內燃燒溫度升高幅度要高于這個值（3 ℃～4 ℃）。

4 結論

本文通過EGR溫度對發動機性能影響的研究，得出以下結論：

（1）EGR對增高進氣溫度有一定的影響。當實驗室環境溫度與空氣濾清器口進氣溫度相差不大時，EGR與空氣混合后的溫度基本可以按公式（1）計算，其與EGR溫度和EGR率呈線性關系。

（2）隨著EGR溫度的升高，燃油消耗率升高，升高幅度不大。當EGR溫度從60 ℃升高到100 ℃，燃油消耗率增加0.5%。

（3）隨著EGR溫度的升高，爆震強度逐漸增加，產生爆震推角，點火角推后，燃燒中心推后，最高爆發壓力降低。

（4）隨著EGR溫度的升高，缸蓋排氣門鼻梁區溫度增加，反映缸內燃燒溫度增加。

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The Effect of Exhaust Gas Recirculation Temperature on Engine Performance

HAN Liwei, LU Guoxiang, NING Jianqiang, HE Shaoling, ZHONG Minqi

( BYD Auto Industry Company Limited, Guangdong Shenzhen 130022 )

Facing the goals of "carbon emission peak target" and "carbon neutral", exhaust gas recirculation (EGR) technology will be one of the widely used engine technologies.It is significant to study the effect of exhaust gas recirculation temperature on engine performance.In this paper, some related experiments were investigated on a certain 1.5 L engine.The EGR temperature has a certain effect on the engine intake temperature.With the increase of EGR temperature, the fuel consumption rate increases, but the increase range is not large. When the EGR temperature increases from 60 ℃ to 100 ℃, the fuel consumption rate increase by 0.5%. With the increase of EGR temperature, the ignition angle is pushed back, the combustion center is pushed back, and the maximum combustion pressure in cylinder decreases. With the increase of EGR temperature, knock intensity increases, and the nose region temperature of the cylinder head exhaust valve increases, which reflects combustion temperature in cylinder increases.

Exhaust gas recirculation temperature;Intake temperature;Fuel consumption rate; Knock intensity; Cylinder nose bridge temperature

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.033

U467

B

1671-7988(2021)21-125-04

U467

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1671-7988(2021)21-125-04

韓立偉，高級工程師，就職于比亞迪汽車工業有限公司，主要研究方向：新能源汽車動力總成系統。

廣東省重點領域研發計劃項目（編號：2018B090911002）。